在电子技术领域,电流检测技术是一项极为重要的技术,它广泛应用于众多场景,如高压短路保护、电机控制、DC/DC 换流器、系统功耗管理、二次电池的电流管理以及蓄电池管理等电流检测场景。对于大部分应用而言,通常是通过间接测量电阻两端的压降来获取待测电路电流大小的,其原理如图所示:

在要求不高的情况下,电流检测电路可以通过运放放大转换成电压,进而反推算负载的电流大小。
测量电流时,电流检测技术主要分为高端检测和低端检测。将测量电阻放在电源与负载之间的测量方法称为高端检测;将测量电阻放在负载和接地端之间的测量方法称为低端电流检测。这两种用于感测负载中电流的方法
低端电流测量的优点
低端电流测量的一个显著优点是共模电压,即测量输入端的平均电压接近于零。这一特性使得设计应用电路更加便捷,同时也便于选择适合这种测量的器件。
低端电流测量的缺点
采用电源接地端和负载 / 系统接地端时,感测电阻两端的压降会有所不同。如果其他电路以电源接地端为基准,可能会出现问题。为限度地避免此问题,存在交互的所有电路均应以同一接地端为基准。降低电流感测电阻值有助于尽量减小接地漂移。
设计电路或选择用于电流测量的器件时,低侧电流感测是简单的方法。由于输入端的共模电压低,因此可使用差分放大器拓扑。下图给出了采用运算放大器(运放)的经典差分放大器拓扑,输入输出关系可由理想运放的基本性质(虚短虚断)来推导,此处不具体描述,感兴趣的读者,后台回复 “低端检测” 可获取推导详情过程。
应用场景
由于电流感测电路测得的电压接近于地,因此在处理非常高的电压时、或者在电源电压可能易于出现尖峰或浪涌的应用中,优先选择这种方法测量电流。由于低侧电流感测能够抗高压尖峰干扰,并能监测高压系统中的电流,因此广泛应用于很多汽车、工业和电信应用中。
设计过程注意事项
器件选择:可以直接选用集成了增益设置电阻的电流检测放大器,从而可减少分立实现方案存在的诸多布局问题。
元件布局:若采用分立器件搭建时,注意需要将 R1 和 R2 放在尽可能靠近运算放大器和电流感测电阻的位置。将这些元件放在靠近运放的位置后,运算放大器同相输入端出现噪声拾取的可能性会降低,同时对电流通过电阻器时的压降进行检测,需要从电阻器的两端引出用于检测电压的图案。电压检测连接如下图右所示,建议从电阻器电极焊盘的内侧中心引出。这是因为电路基板的铜箔图案也具备微小的电阻值,需要避免铜箔图案的电阻值所造成的压降的影响。如果按照下图左所示,从电极焊盘的侧面引出电压检测图案,检测对象将是低电阻器电阻值加上铜箔图案电阻值的压降,无法正确地检测电流。
PCB Layout 参考:在进行 PCB 设计时,要充分考虑电路的布局和布线,以确保电路的性能和稳定性。
运放选型:注意运放的选型,输入输出轨到轨运放便于信号完整的传输到输出端。
稳定性考虑:如果应用中存在容性负载,需要特别考虑运放的稳定性,以免出现振荡或严重的输出振铃现象。